電圧レベルを上げることが難しいのはなぜですか

固体変圧器（SST）または電力電子変圧器（PET）は、技術的な成熟度と応用シナリオの重要な指標として電圧レベルを使用しています。現在、SSTは中圧配電側で10 kVおよび35 kVの電圧レベルに達しており、高圧送電側ではまだ実験室研究とプロトタイプ検証の段階にとどまっています。以下の表は、異なる応用シナリオにおける電圧レベルの現状を明確に示しています。

1. 電圧レベルを上げることが難しい理由は何ですか？
固体変圧器（SST）の電圧レベルは単純に部品を積み重ねることで引き上げることはできず、一連の基本的な技術的課題によって制約されています：

1.1 電力半導体素子の耐電圧制限

• これが核心的なボトルネックです。現在、主流のSSTはシリコンベースのIGBTまたはより高度な炭化ケイ素（SiC）MOSFETを使用しています。

• 単一のSiC素子の電圧定格は通常10 kVから15 kV程度です。より高いシステム電圧（例えば35 kV）に対応するためには複数の素子を直列に接続する必要がありますが、直列接続は複雑な「電圧バランス問題」を引き起こし、素子間のわずかな違いでも電圧のアンバランスが生じ、モジュールの故障につながります。

1.2 高周波変圧器絶縁技術の課題

SSTの核心的な利点は高周波動作による小型化にあります。しかし、高周波下では絶縁材料の性能と電界分布が非常に複雑になります。電圧レベルが高いほど、高周波変圧器の絶縁設計、製造プロセス、熱管理に対する要件は厳しくなります。限られた空間内で数十kVレベルの高周波絶縁を実現することは、材料と設計上の大きな課題です。

1.3 システムトポロジーと制御の複雑さ

高電圧に対応するため、SSTは通常カスケードモジュラートポロジー（例えばMMC—Modular Multilevel Converter）を採用します。電圧レベルが高いほど必要なサブモジュールの数が増え、システム構造は極めて複雑になります。制御の難易度は指数関数的に増加し、コストと故障率も上昇します。

2. 今後の展望
大きな課題にもかかわらず、技術的な突破が続いています：

• 素子の進歩：より高電圧定格のSiCと窒化ガリウム（GaN）素子の開発が進行しており、これらは高電圧SSTを実現する基礎となっています。

• トポロジーの革新：従来の変圧器と電力電子変換器を組み合わせたハイブリッドアプローチなどの新しい回路トポロジーは、高電圧応用での迅速な突破の有望な道筋と考えられています。

• 標準化：IEEEなどの組織がSST関連の標準を制定し始めると、標準化された設計とテストが促進され、技術的な成熟が加速されます。

3. 結論
現在、10 kVのSSTは商用応用に入り、35 kVレベルはデモンストレーションプロジェクトで達成された最高レベルであり、110 kV以上の電圧レベルはまだ先駆的な技術研究の領域にとどまっています。固体変圧器の電圧レベルの向上は、徐々に進む過程であり、電力半導体、材料科学、制御理論、熱管理技術の協調的な進歩に依存しています。